制冷原理與技術講解課件

第一章

制冷與低溫的熱力學基礎第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎第二節(jié)制冷與低溫工質第三節(jié)制冷技術與學科交叉第一章

制冷與低溫的熱力學基礎第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工1第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎自然界中的一切物質都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉化過程中能量的總量保持不變。能量守恒與轉換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.1.1制冷與低溫原理的熱力學基礎1.熱力學第一定律第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎能量守恒與轉換定律是自然界2用符號U表示，單位是焦耳（J）熱力學能1kg物質的熱力學能稱比熱力學能用符號u表示，單位是焦耳/千克（J／kg）比熱力學能熱力學能熱力學能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關。用符號U表示，單位是焦耳（J）熱力學能1kg物質的熱力學3工質的總儲存能內部儲存能外部儲存能熱力學能總能動能位能E－總能，Ek－動能Ep－位能E=U+Ek+Ep

(1-2)內部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學能與宏觀運動動能及位能的總和。若工質質量m，速度cf，重力場中高度z宏觀動能

重力位能工質的總能(1-3)工質的總儲存能內部儲存能外部儲存能熱力學能總能動能位能4能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關。傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。推動功因工質在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。對開口系統(tǒng)進行功的計算時需要考慮這種功。推動功只有在工質移動位置時才起作用。力學參數(shù)cf和z只取決于工質在參考系中的速度和高度2.能量的傳遞和轉化(1-4)比總能能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量5圖1-1a所示為工質經管道進入氣缸的過程。工質狀態(tài)參數(shù)p、v、T，用p-v圖中點C表示。工質作用于面積A的活塞上的力為pA，工質流入氣缸時推動活塞移動距離，作功pA=pV=mpv。m表示進入氣缸的工質質量，這一份功叫做推動功。1kg工質的推動功等于pv如圖中矩形面積所示。圖1-1a所示為工質經管道進入氣缸的過程。6圖1-1b所示考察開口系統(tǒng)和外界之間功的交換。取一開口系統(tǒng)，1kg工質從截面1-1流入該熱力系，工質帶入系統(tǒng)的推動功p1v1，作膨脹功由狀態(tài)1到2，再從截面2-2流出，帶出系統(tǒng)的推動功為p2v2。是系統(tǒng)為維持工質流動所需的功，稱為流動功圖1-1b所示考察開口系統(tǒng)和外界之間功的交換。7焓用符號H表示，單位是焦耳（J）H=U+pV

(1-5)比焓

(1-6)

用符號h表示，單位是焦耳/千克（J／kg）焓是一個狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)(1-9)3．焓焓用符號H表示，單位是焦耳（J）比焓8進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能量的增加

(1-10)4.1閉口系統(tǒng)的能量平衡4．熱力學第一定律的基本能量方程式工質從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2，對外作功W。若工質宏觀動能和位能的變化忽略不計，則工質儲存能的增加即為熱力學能的增加ΔU

(1-11)熱力學第一定律的解析式進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能量的增加4.19加給工質的熱量一部分用于增加工質的熱力學能儲存于工質內部，余下一部分以作功的方式傳遞至外界。對微元過程，第一定律解析式的微分形式(1-12a)對于1kg工質，(1-12b)(1-12c)式(1-12)對閉口系普遍適用，適用于可逆過程也適用于不可逆過程，對工質性質也無限制。加給工質的熱量一部分用于增加工質的熱力學能儲存于工質內部，余10熱量Q熱力學能變量ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+

系統(tǒng)對外作功W+

系統(tǒng)熱力學能增大ΔU+可逆過程(1-13)(1-14)

完成一循環(huán)后，工質恢復原來狀態(tài)(1-15)閉口系完成一循環(huán)后，循環(huán)中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量(1-16)

熱量Q熱力學能變量ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+系統(tǒng)對外作功W114.2開口系統(tǒng)的能量平衡由系統(tǒng)能量平衡的基本表達式有圖示開口系統(tǒng)，dτ時間內，質量的微元工質流入截面1-1，質量的微元工質流出2-2，系統(tǒng)從外界得到熱量，對機器設備作功。過程完成后系統(tǒng)內工質質量增加dm,系統(tǒng)總能增加dECV

(1-17)圖1-2開口系統(tǒng)流動過程中的能量平衡

4.2開口系統(tǒng)的能量平衡由系統(tǒng)能量平衡的基本表達式有12由E=me,V=mv,h=u+pv,得

(1-19)

穩(wěn)定流動

系統(tǒng)只有單股流體進出，(1-21)

微量形式

(1-22)

當流入質量為m的流體時，穩(wěn)定流動能量方程由E=me,V=mv,h=u+pv,得(1-19)穩(wěn)定流13工質流經壓縮機時，機器對工質做功wc,使工質升壓，工質對外放熱q

每kg工質需作功

(1-24)膨脹過程均采用絕熱過程圖1-3壓縮機能量平衡

圖1-4膨脹機能量平衡5.能量方程式的應用(1-25)穩(wěn)定流動能量平衡方程工質流經壓縮機時，機器對工質做功wc,使工質升壓，工質對外放14圖1-6噴管能量轉換圖1-5換熱器能量平衡

工質流經換熱器時和外界有熱量交換而無功的交換，動能差和位能差也可忽略不計

1kg的工質吸熱量

1kg工質動能的增加工質流經噴管和擴壓管時不對設備作功，熱量交換可忽略不計

圖1-6噴管能量轉換圖1-5換熱器能量平衡工質流經換15工質流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節(jié)流。

設流動絕熱，前后兩截面間的動能差和位能差忽略，因過程無對外做功，故節(jié)流前后的焓相等

該式只對節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過程段。

節(jié)流工質流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節(jié)流。16研究與熱現(xiàn)象相關的各種過程進行的方向、條件及限度的定律熱不能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體1.制冷循環(huán)的熱力學分析熱力學循環(huán)正向循環(huán)

熱能轉化為機械功逆向循環(huán)消耗功循環(huán)除了一二個不可避免的不可逆過程外其余均為可逆過程。可逆循環(huán)是理想循環(huán)。理想循環(huán)2.熱力學第二定律研究與熱現(xiàn)象相關的各種過程進行的方向、條件及限度的定律熱不17熱力學第二定律涉及的溫度為熱力學溫度(K)

T=273.16+t

(1-29)

熵是熱力學狀態(tài)參數(shù)，是判別實際過程的方向，提供過程能否實現(xiàn)、是否可逆的判據。定義式

(1-30)

qrev是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度可逆過程1-2的熵增克勞修斯積分

=0可逆循環(huán)＜0不可逆循環(huán)＞0不可能實行的循環(huán)熱力學第二定律涉及的溫度為熱力學溫度(K)T=273.1618p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán)——逆卡諾循環(huán)當高溫熱源和低溫熱源隨著過程的進行溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向循環(huán)。在相同溫度范圍內，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆損失。p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時的19卡諾制冷機是熱力理想的等溫制冷機卡諾制冷20過程1－2

壓縮工質，同時放熱至熱源，維持制冷劑溫度恒定

過程2－3

工質從熱源溫度Th可逆絕熱膨脹到冷源溫度Tc

過程3－4熱量從冷源轉移到工質中同時工質做功以使制冷劑維持一定的溫度過程4－1

制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度過程1－2壓縮工質，同時放熱至熱過程2－3工質從熱源溫度21制冷工質向高溫熱源放熱量(1-34)

制冷工質從低溫熱源吸熱量

(1-35)

系統(tǒng)所消耗的功

(1-36)卡諾制冷系數(shù)

(1-37)卡諾熱泵循環(huán)效率

(1-38)熱力完善度

(1-39)制冷工質向高溫熱源放熱量(1-34)制冷工質從低溫熱源吸熱22溫

度T熵S圖1-10洛倫茲循環(huán)的T-s圖

3.熱源溫度可變時的逆向可逆循環(huán)—洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán)工作在二個變溫熱源間。與卡諾循環(huán)不同之處主要是蒸發(fā)吸熱和冷卻放熱均為變溫過程

溫度T熵S圖1-10洛倫茲循環(huán)的T-s圖23(假設制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為ΔT)制冷量

排熱量

耗功

(1-40)洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)

(假設制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為ΔT)制冷量排熱量24

以卡諾循環(huán)作為比較依據，第一類循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機，而第二類循環(huán)則是理想的熱源驅動逆向可逆循環(huán)——三熱源循環(huán)。

圖1-11兩類制冷循環(huán)能量轉換關系圖

(a)以電能或機械能驅動

(b)以熱能驅動

4.熱源驅動的逆向可逆循環(huán)——三熱源循環(huán)以卡諾循環(huán)作為比較依據，第一類循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機25對可逆制冷機熱力系數(shù)(1-45)

1.1.2制冷與低溫的獲得方法1.焦耳湯姆遜效應(1)節(jié)流過程的熱力學特征通過膨脹閥時焓不變，因閥中存在摩擦阻力損耗，所以它是個不可逆過程，節(jié)流后熵必定增加對可逆制冷機熱力系數(shù)(1-45)1.1.2制冷與低溫的獲26節(jié)流閥、毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式。焦耳－湯姆遜效應理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時溫度保持不變，而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會發(fā)生變化。焦耳－湯姆遜系數(shù)

(1-46)制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件結構簡單，價格低廉，在小型制冷空調裝置中應用廣泛節(jié)流閥、毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式。焦耳－湯姆27零效應的連線稱為轉化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流后氣體溫度保持不變，這樣的溫度稱為轉化溫度。焦耳－湯姆遜系數(shù)就是圖上等焓線的斜率

轉化曲線上節(jié)流后升溫節(jié)流后降溫圖1-12實際氣體的等焓節(jié)流膨脹

零效應的連線稱為轉化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流后氣體溫度保28進一步推導得(1-50)對理想氣體(2)節(jié)流過程的物理特征節(jié)流時溫度降低

節(jié)流時溫度不變節(jié)流時溫度升高

實際氣體表達式可通過實驗來建立(1-51)對空氣和氧在P＜15×103kPa進一步推導得(1-50)對理想氣體(2)節(jié)流過程的物29(3)轉化溫度與轉化曲線轉化溫度(1-55)(1-56)轉化溫度與壓力的關系

在T－P圖上為一連續(xù)曲線，稱為轉化曲線

針對范德瓦爾氣體的最高轉化溫度

(此時或)(1-53)范德瓦爾狀態(tài)方程(3)轉化溫度與轉化曲線轉化溫度(1-55)(1-530表1-1最大轉化溫度列出了一部分氣體的最高轉化溫度。氣體最高轉化溫度(K)氣體最高轉化溫度(K)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空氣603CO21500NH31994表1-1最大轉化溫度列出了一部分氣體的最高轉化溫度。氣體最312.絕熱膨脹氣體等熵膨脹時，壓力的微小變化所引起的溫度變化。微分等熵效應(1-58)對理想氣體(為絕熱指數(shù))(1-60)2.絕熱膨脹氣體等熵膨脹時，壓力的微小變化所引起的溫度變化32等熵膨脹過程的溫差，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而增大，還隨初溫T1的提高而增大。3.絕熱放氣等熵膨脹過程的溫差，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而33(1)假定放氣過程進行很慢，活塞左側氣體始終處于平衡狀態(tài)而等熵膨脹，所作功按其本身壓力計算，因而對外作功最大，溫降也最大。(2)設想閥門打開后活塞右側氣體立即從P1降到P2，因而當活塞左側氣體膨脹時只針對一恒定不變壓力P2作功，對外作功最小，溫降也最小。(1-61)(1-62)(1)假定放氣過程進行很慢，活塞左側氣體始終處于平衡狀態(tài)而等34實際放氣過程總是介于上述兩種極限情況之間，過程進行得越慢，愈接近等熵膨脹過程。圖1-14放氣過程中溫度與壓力的變化關系

實際放氣過程總是介于上述兩種極限情況之間，過程進行得35分析這兩種極限情況可得結論：

(1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比T2/T1(P2/P1一定時)越小，溫降越大，用單原子氣體可獲較大溫降。(2)隨壓比P1/P2增大，溫比T2/T1減少越來越慢，單級壓比不宜過大，一般取3到5。分析這兩種極限情況可得結論：(1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比364.1熱力理想等溫源系統(tǒng)

“冷源”指需冷卻的空間“熱源”則指制冷機放熱的對象4.低溫氣體制冷的熱力學基礎4.1熱力理想等溫源系統(tǒng)“冷源”指需冷卻的空間4.低溫氣37表1-2卡諾制冷機在300K和低溫Tc時的性能系數(shù)COP冷源溫度（K）COPi=-Q0/Wnet-Wnet/Q0111.70.59321.68677.40.34772.87620.30.0725813.7784.20.0142070.431.00.003344299.00.10.00033342,999.00.010.000033329,999.0表1-2卡諾制冷機在300K和低溫Tc時的性能系數(shù)COP冷384.2熱力理想等壓源系統(tǒng)在工質未冷凝的氣體制冷機系統(tǒng)中，吸熱過程是變溫的，而不象在卡諾制冷機中那樣在等溫下吸熱。這樣，實際系統(tǒng)與卡諾系統(tǒng)比較是不公平的，因為實際系統(tǒng)的冷源溫度不恒定。

沒有一個制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)可大于相同溫限下工作的卡諾制冷機，否則就可以制造第二類永動機。要達到相同的制冷效應，所有實際的制冷機都要比卡諾制冷機花費更多的功。熱力學第二定律的推論之一4.2熱力理想等壓源系統(tǒng)在工質未冷凝的氣體制冷機39制冷劑在T1和T2之間可逆等壓吸熱，放熱過程是可逆等溫過程。制冷劑在T1和T2之間可逆等壓吸熱，放熱過程是可逆等溫過程40對理想等壓源制冷機(1-66)上式對任何工質都適用。對許多氣體制冷機而言，壓力足夠低時，工質氣體可近似為理想氣體。對具有定壓比熱的理想氣體(1-70)COP與用作制冷劑的理想氣體無關。COPi僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比和熱源溫度與最低冷源溫度之比有關。對理想等壓源制冷機(1-66)上式對任何工質都適用41圖1-16理想等壓源制冷機的性能系數(shù)

性能系數(shù)COPT0是高溫熱源溫度T1和T2分別是低溫熱源的最高和最低溫度。圖1-16理想等壓源制冷機的性能系數(shù)性能系421.1.3制冷與低溫溫區(qū)的劃分1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分通過一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。“冷”相對于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫度至絕對零度。通過123Ｋ來分界溫區(qū)制冷溫區(qū)

123K以上低溫溫區(qū)

123K以下制冷1.1.3制冷與低溫溫區(qū)的劃分1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分43制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫度開始，一直可達接近絕對零度即0Ｋ圖1-17低溫溫度范圍

制冷的溫度范圖1-17低溫溫度范圍442.制冷與低溫技術的發(fā)展歷史(一)制冷技術的發(fā)展歷史人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開始的?？諝庵评錂C的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機稍晚?？照{技術的應用起始于1919年。2.制冷與低溫技術的發(fā)展歷史(一)制冷技術的發(fā)展歷史人工45第二節(jié)制冷與低溫工質1.2.1制冷劑的發(fā)展、應用與選用原則只有在工作溫度范圍內能夠汽化和凝結的物質才有可能作為制冷劑使用。

乙醚是最早使用的制冷劑。1866年威德豪森(Windhausen)提出使用CO2作制冷劑。1870年卡爾·林德(CartLinde)用NH3作制冷劑。1874年拉烏爾·皮克特(RaulPictel)采用SO2作制冷劑。SO2和CO2在歷史上曾經是比較重要的制冷劑。SO2毒性大，但作為重要制冷劑曾有60年歷史。CO2在使用溫度范圍內壓力特高，致使機器極為笨重，但它無毒使用安全。曾在船用冷藏裝置中作制冷劑達50年之久，1955年才被氟里昂所取代。第二節(jié)制冷與低溫工質1.2.1制冷劑的發(fā)展、應用與選461.熱力學性質方面2.遷移性質方面(1)工作溫度范圍內有合適的壓力和壓力比。(2)單位制冷量q0和單位容積制冷量qv較大。(3)比功w和單位容積壓縮功wv小，循環(huán)效率高。蒸發(fā)壓力≧大氣壓力冷凝壓力不要過高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過大(4)等熵壓縮終了溫度t2不能太高，以免潤滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。(1)粘度、密度盡量小。(2)導熱系數(shù)大，可提高傳熱系數(shù)，減少傳熱面積。作為制冷劑應符合的要求

1.熱力學性質方面2.遷移性質方面(1)工作溫度范圍內473.物理化學性質方面

4.其它

(1)無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。(2)化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。(3)對大氣環(huán)境無破壞作用。

原料來源充足，制造工藝簡單，價格便宜。3.物理化學性質方面4.其它(1)無毒、不燃燒、不爆炸481.2.2制冷劑命名制冷劑按其化學組成主要有三類

無機物氟里昂碳氫化合物1.2.2制冷劑命名制冷劑按其化學組成主要有三類無機物49字母“R”和它后面的一組數(shù)字或字母表示制冷劑根據制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫1.無機化合物

2.氟里昂和烷烴類簡寫符號規(guī)定為R7()()括號中填入的數(shù)字是該無機物分子量的整數(shù)部分。簡寫符號規(guī)定為R(m-1)(n+1)(x)B(z)數(shù)值為零時省去寫，同分異構體則在其最后加小寫英文字母以示區(qū)別。正丁烷和異丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示編寫規(guī)則制冷劑的簡寫符號字母“R”和它后面的一組數(shù)字或字母表示制冷劑根據制冷劑分503.非共沸混合工質簡寫符號為R4()()括號中的數(shù)字為該工質命名的先后順序號，從00開始若構成非共沸混合工質的純物質種類相同，但成分含量不同，則分別在最后加上大寫英文字母以示區(qū)別4.共沸混合工質簡寫符號為R5()()括號中的數(shù)字為該工質命名的先后順序號，從00開始5.環(huán)烷烴、鏈烯烴以及它們的鹵代物簡寫符號規(guī)定：環(huán)烷烴及環(huán)烷烴的鹵代物用字母“RC”開頭，鏈烯烴及鏈烯烴的鹵代物用字母“R1”開頭，其后的數(shù)字排寫規(guī)則與氟里昂及烷烴類符號表示中的數(shù)字排寫規(guī)則相同。3.非共沸混合工質簡寫符號為R4()()括號中的51表1-4制冷劑符號舉例

化合物名稱分子式m、n、x、z值簡寫符號一氟三氯甲烷CFCl3m=1,n=0,x=1R11二氟二氯甲烷CF2Cl2m=1,n=0,x=2R12三氟一溴甲烷CF3Brm=1,n=0,x=3,z=1R13B1二氟一氯甲烷CHF2Clm=1,n=1,x=2R22二氟甲烷CH2F2m=1,n=2,x=2R32甲烷CH4m=1,n=4,x=0R50三氟二氯乙烷C2HF3Cl2m=2,n=1,x=3R123五氟乙烷C2HF5m=2,n=1,x=5R125四氟乙烷C2H2F4m=2,n=2,x=4R134a乙烷C2H6m=2,n=6,x=0R170丙烷C3H8m=3,n=8,x=0R290表1-4制冷劑符號舉例化合物名稱分子式m、n、x、z值52此外，有機氧化物、脂肪族胺用R6開頭，其后數(shù)字任選。詳細可從表1-5制冷劑標準符號表示中查出。為簡單定性判別制冷劑對臭氧層的破壞能力

將氯氟烴類物質代號中的R改用字母CFC氫氯氟烴類物質代號中的R改用字母HCFC氫氟烴類物質代號中的R改用字母HFC碳氫化合物代號中的R改用字母HC，數(shù)字編號不變此外，有機氧化物、脂肪族胺用R6開頭，其后數(shù)字任選。詳細可從531.2.3制冷劑的物理化學性質及其應用1.安全性(1)毒性雖然一些氟里昂制冷劑其毒性都較低，但在高溫或火焰作用下會分解出極毒的光氣。1.2.3制冷劑的物理化學性質及其應用1.安全性(1)毒54表1–6制冷劑的毒性指標給出常用制冷劑TLVs或AEL值制冷劑代號TLVs或AELppm·hr制冷劑代號TLVs或AELppm·hr制冷劑代號TLVs或AELppm·hr111000124500290100012100012510005001000221000134a10005021000231000142b1000600a1000321000143a1000717112310152a10007181000表1–6制冷劑的毒性指標給出常用制冷劑TLVs或AEL值55(2)燃燒性和爆炸性在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比范圍。這一范圍的下限值越小，表示越易燃；下限值相同，則范圍越寬越易燃。(3)安全分類表1–8與表1–9分別給出了6個安全等級的劃分定義和一些制冷劑的安全分類。

2.熱穩(wěn)定性制冷劑在正常運轉條件下不發(fā)生裂解。在溫度較高又有油、鋼鐵、銅存在長時間使用會發(fā)生變質甚至熱解。爆炸極限(2)燃燒性和爆炸性在空氣中發(fā)生燃燒或爆炸的體積百分比范圍56表1–7一些制冷劑的易燃易爆特性制冷劑代號爆炸極限(容積%)制冷劑代號爆炸極限(容積%)制冷劑代號爆炸極限(容積%)11None124

None2902.3-7.312

None125

None500

None22

None134a

None502

None23

None142b6.7-14.9600a1.8-8.43214-31143a6.0-na71716.0-25.0123

None152a3.9-16.9718

None注：None表示不燃燒，na表示未知。

表1–7一些制冷劑的易燃易爆特性制冷劑爆炸制冷劑爆炸制冷劑57表1–8ASHRAE34-1992以毒性和可燃性為界限的安全分類

毒性可燃性TLVs值確定或一定的系數(shù)，制冷劑體積分數(shù)≥4×10-4TLVs值確定或一定的系數(shù)，制冷劑體積分數(shù)<4×10-4無火焰?zhèn)鞑ゲ蝗糀1B1制冷劑LFL>0.1kg/m3,燃燒熱<19000kJ/kg低度可燃性A2B2制冷劑LFL≤0.1kg/m3,燃燒熱≥19000kJ/kg高度可燃性A3B3低毒性高毒性LFL燃燒下限表1–8ASHRAE34-1992以毒性和可燃性為界限的安58表1–9一些制冷劑的安全分類

制冷劑代號安全分類制冷劑代號安全分類制冷劑代號安全分類11A1124A1290A312A1125A1500A122A1134aA1502A123A1142bA2600aA332A2143aA2717B2123B1152aA2718A1表1–9一些制冷劑的安全分類制冷劑安全制冷劑安全制冷劑安59(二)低溫技術的發(fā)展歷史1908年，Onnes最先液化了氦氣1911年，超導電性首次被發(fā)現(xiàn)1942年，德國V-2武器試驗成功，低溫技術軍事應用開始1961年，土星V號是首個用液氫液氧混合推進劑的飛行器我國的低溫研究工作從20世紀50年代開始。制冷與低溫技術已廣泛應用于工農業(yè)各個部門及一切科學領域(表1-3制冷與低溫技術的應用)(二)低溫技術的發(fā)展歷史1908年，Onnes最先液化了氦603.對材料的作用正常情況下，鹵素化合物制冷劑與大多數(shù)常用金屬材料不起作用。只在某種情況例如水解作用、分解作用等下，一些材料才會和制冷劑發(fā)生作用。“鍍銅”現(xiàn)象當制冷劑在系統(tǒng)中與銅或銅合金部件接觸時，銅溶解到混合物中，當和鋼或鑄鐵部件接觸時，被溶解的銅離子析出并沉浸在鋼鐵部件上形成一層銅膜。制冷系統(tǒng)中應盡量避免水分存在和銅鐵共用。氨制冷機中不能用黃銅、紫銅和其它銅合金（磷青銅除外），因為有水分時要引起腐蝕。氟里昂對塑料等高分子化合物會起“膨潤”作用(變軟、膨脹和起泡)，故在制冷系統(tǒng)中要選用特殊橡膠或塑料。3.對材料的作用正常情況下，鹵素化合物制冷劑與大多614.與潤滑油的互溶性對每種氟利昂存在一個溶解臨界溫度，即溶解曲線最高點的溫度圖1-18制冷劑與潤滑油的溶解曲線)4.與潤滑油的互溶性對每種氟利昂存在一個溶解臨界溫度，即溶62制冷劑與油溶解會使?jié)櫥妥兿。绊憹櫥饔?，且油會被帶入蒸發(fā)器中影響到傳熱效果。若制冷劑與油不相溶解，可以從冷凝器或貯液器將油分離出來，避免油帶入蒸發(fā)器中降低傳熱效果。常溫下氟利昂與礦物潤滑油溶解關系可用經驗公式判別互溶(Z≤1/2)部分溶解(1/2≤Z≤2/3)微量溶解(Z>2/3)制冷劑與油溶解會使?jié)櫥妥兿?，影響潤滑作用，且油會被帶入蒸發(fā)635.與水的溶解性“冰堵現(xiàn)象”當溫度降到0℃以下時，水結成冰而堵塞節(jié)流閥或毛細管的通道形成“冰堵”，致使制冷機不能正常工作。6.泄漏性氨有強烈臭氣，靠嗅覺易判是否泄漏。易溶于水故不用肥皂水檢漏，用酚酞試劑和試紙檢漏

氟利昂無色無臭，鹵素噴燈和電子檢漏儀檢漏5.與水的溶解性“冰堵現(xiàn)象”當溫度降到0℃以下時，水結成冰64表1–10水分在一些制冷劑中的溶解度（25℃）

制冷劑代號溶解度(質量%)制冷劑代號溶解度(質量%)制冷劑代號溶解度(質量%)110.00981240.07290na120.011250.075000.05220.13134a0.115020.06230.15142b0.05600ana320.12143a0.081230.08152a0.17注：na表示沒有找到可用的數(shù)據。表1–10水分在一些制冷劑中的溶解度（25℃）制冷劑溶解65沸點-33.3℃，凝固點-77.9℃單位容積制冷量大粘性小，傳熱性好，流動阻力小毒性較大，有一定的可燃性，安全分類為B2氨蒸氣無色，具有強烈的刺激性臭味氨液飛濺到皮膚上會引起腫脹甚至凍傷氨系統(tǒng)中有水分會加劇對金屬腐蝕同時減小制冷量以任意比與水互溶但在礦物潤滑油中的溶解度很小系統(tǒng)中氨分離的游離氫積累至一定程度遇空氣爆炸氨液比重比礦物潤滑油小，油沉積下部需定期放出在氨制冷機中不用銅和銅合金材料(磷青銅除外)

1.2.4常用制冷劑1.無機物氨沸點-33.3℃，凝固點-77.9℃1.2.4常用制冷劑662.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸點-29.8℃，凝固點-158℃。無色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系統(tǒng)里應嚴格限制含水量，一般規(guī)定不得超過0.001%常用溫度范圍內能與礦物性潤滑油以任意比互溶不腐蝕一般金屬但能腐蝕鎂及含鎂量超過2%鋁鎂合金。對天然橡膠和塑料有膨潤作用。(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）毒性非常低，不可燃，安全。與礦物潤滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類?；瘜W穩(wěn)定性很好，溶水性比R12強得多，對系統(tǒng)干燥和清潔性要求更高，用與R12不同的干燥劑。2.氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸點-67(3)R11（一氟三氯甲烷CFCl3）沸點23.8℃，凝固點-111℃。毒性比R12更小，安全。水在R11中的溶解能力與R12相接近。對金屬及礦物潤滑油的作用關系也與R12大致相似。與明火接觸時，較R12更易分解出光氣。(4)R22（二氟一氯甲烷CHF2Cl）沸點-40.8℃，凝固點-160℃。毒性比R12略大，無色無味，不燃不爆，安全。屬于HCFC類制冷劑，也要被限制和禁止使用。

對金屬與非金屬的作用以及泄漏特性都與R12相似。化學性質不如R12穩(wěn)定，對有機物的膨潤作用更強。部分與礦物潤滑油互溶。溶水性稍大于R12，系統(tǒng)內應裝設干燥器。(3)R11（一氟三氯甲烷CFCl3）沸點23.8℃，凝683.碳氫化合物(1)R600a（異丁烷i-C4H10）(2)R290（丙烷C3H8）沸點和凝固點比R600a低，蒸氣壓較高和容積制冷量比R600a大，其他制冷特性及安全特性均與R600a相似。沸點-11.73℃，凝固點-160℃。毒性非常低，在空氣中可燃，應注意防火防爆。與礦物潤滑油能很好互溶，與其他物質的化學相溶性很好，與水的溶解性很差。3.碳氫化合物(1)R600a（異丁烷i-C4H10）(694.混合制冷劑(1)共沸制冷劑共沸制冷劑特點：一定蒸發(fā)壓力下蒸發(fā)時具有幾乎不變的蒸發(fā)溫度，而且蒸發(fā)溫度一般比組成它的單組分的蒸發(fā)溫度低。一定蒸發(fā)溫度下，共沸制冷劑單位容積制冷量比組成它的單一制冷劑的容積制冷量要大。共沸制冷劑化學穩(wěn)定性較組成它的單一制冷劑好。在全封閉和半封閉壓縮機中，采用共沸制冷劑可使電機得到更好的冷卻，電機繞組溫升減小。4.混合制冷劑(1)共沸制冷劑共沸制冷劑特點：一定蒸發(fā)壓70表1–11幾種共沸制冷劑的組成和沸點

代號組分質量成分分子量沸點(℃)共沸溫度各組分的沸點(℃)R500R12/152a73.8/26.299.3-33.50-29.8/-25R501R22/1284.5/15.593.1-41.5-41-40.8/-29.8R502R22/11548.8/51.2111.6-45.419-40.8/-38R503R23/1340.1/59.987.6-88.088-82.2/-81.5R504R32/11548.2/51.879.2-59.217-51.2/-38R505R12/3178.0/22.0103.5-30115-29.8/-9.8R506R31/11455.1/44.993.7-12.518-9.8/3.5R507R125/143a50.0/50.098.9-46.7－-48.8/-47.7表1–11幾種共沸制冷劑的組成和沸點代號組分質量成分分子量71(2)非共沸制冷劑一定壓力下溶液加熱時，首先到達飽和液體點A(泡點)，再加熱到達點B，即進入兩相區(qū)，繼續(xù)加熱到點C(露點)時全部蒸發(fā)完成為飽和蒸氣。泡點溫度和露點溫度的溫差稱之為溫度滑移

圖1–19非共沸制冷劑的T-ξ圖

(2)非共沸制冷劑一定壓力下溶液加熱時，首先到達飽72表1-12一些非共沸混合制冷劑顯示了目前應用較多的非共沸制冷劑的種類及組成。(3)常用混合制冷劑的特性沸點-33.5℃，ODP值較高。1)共沸制冷劑R500

可代替R12用于活塞式制冷機沸點-45.4℃，ODP值較高。溶水性比R12大1.5倍，在82℃以上有較好的溶油性。沸點-88℃，不燃燒，無毒無腐蝕性，ODP值較高。適用于復疊式制冷機的低溫級。沸點-46.7℃，ODP值為零。不溶于礦物油，但溶于聚酯類潤滑油。2)共沸制冷劑R502

可代替R22用于獲得低溫3)共沸制冷劑R503可代替R13使用4)共沸制冷劑R507用R502的場合都可用R507替代

表1-12一些非共沸混合制冷劑顯示了目前應用較多的非共沸制735)非共沸制冷劑R401A和R401B性能與R12較接近。能溶于聚醇類和聚酯類潤滑油。可作為過度性替代物

泡露點溫差大，使用時最好將熱交換器作成逆流形式不能與礦物潤滑油互溶，但能溶于聚酯類合成潤滑油低溫工況下，容積制冷量比R22要低得多。不能與礦物潤滑油互溶，但能溶于聚酯類合成潤滑油。泡露點溫差僅0.2℃，可稱之為近共沸混合制冷劑。具有與共沸混合制冷劑類似的優(yōu)點。不能直接用來替換R22的制冷系統(tǒng)。7)非共沸制冷劑R410A兩元混合制冷劑6)非共沸制冷劑R407C三元非共沸混合制冷劑5)非共沸制冷劑R401A和R401B性能與R12較接近。741.2.5低溫液體的性質表1-13大氣壓下一些飽和低溫液體的性質(1)常規(guī)氣體液氮純凈無色具有兩種穩(wěn)定的同素異形體。標準大氣壓下在77.36K沸騰,63.2K凝固。液氧藍色，有輕微磁性。在0.1MPa大氣壓下在90.18K時沸騰，54.4K時凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氬純凈無色氬是無毒的惰性氣體。

在0.1MPa大氣壓下在87.3K沸騰,83.8K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。液氖純凈無色氖是惰性氣體。在0.1MPa大氣壓下在27.09K沸騰,24.54K凝固。具有三種穩(wěn)定的同素異形體。1.2.5低溫液體的性質表1-13大氣壓下一些飽和低溫液75液氟淡黃色，密度最大的低溫液體之一。通常狀態(tài)下沸點為85.24K，在0.1MPa,53.5K時,液氟凝結成黃色固體,過冷到45.6K時轉變?yōu)榘咨腆w。氟有劇毒，化學性質非常活潑。甲烷純凈無色，天然氣的主要成分。在0.1MPa大氣壓下在111.7K沸騰,88.7K凝固。液態(tài)甲烷能裝在容器中大量運輸。(2)氫液氫無色無味，不自燃，低溫液體中最輕之一。氫與氧氣或空氣混合時,極易燃燒甚至爆炸。天然氫氣是兩種同素異形體的混合物：氫和氘。還存在第三種不穩(wěn)定的氫的同素異形體：氚。氫具有兩種不同的分子形態(tài):o-H2和p-H2液氟淡黃色，密度最大的低溫液體之一。通常狀態(tài)下沸點為85.76表1-14e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H2的平衡含量隨溫度的關系。

溫度(K)20.2730405060708090摩爾含量0.99800.97020.88730.77960.66810.55880.49880.4403溫度(K)100120140160180200250300摩爾含量0.39470.32960.29800.27960.26760.25970.25260.2507表1-14e-H2中p-H2的含量列出了e-H2中p-H277這兩種不同形式的氫的區(qū)別在于組成氫分子的粒子的相對自旋轉方向不同。這兩種不同形式的氫的區(qū)別在于組成氫分子的粒子的相對自旋轉方向78氘也有o-D2和p-D2存在，溫度降低時氘中的p-D2向o-D2轉變而氫在溫度降低時由o-H2向p-H2轉變(3)氦4氦有兩種同位素:He4和He3液氦4在其蒸氣壓下不會凝固。故不存在氦的固、液、氣三相點,而其它物質都存在三相點。

LHe有兩種不同液相液氦Ⅰ(HeI)正常液體液氦Ⅱ(HeII)超流體氘也有o-D2和p-D2存在，溫度降低時氘中的p-D2向o-79λ線與蒸汽壓曲線相交的點叫λ點λ點溫度為2.172K壓力為5.073kPa區(qū)分兩種液相的相轉變曲線叫λ線壓力固態(tài)臨界點λ點液氦Ⅰ

液氦II

溫

度(K)圖1-21氦4的相圖λ線與蒸汽壓曲線相交的點叫λ點區(qū)分兩種液相的相轉變曲線叫λ線80熱導率隨溫度的下降而下降。氦Ⅰ液氦Ⅱ熱導率非常大,在氣泡生成之前熱量已迅速傳到液體表面,使液體中無法生成氣泡，這種特性在自然界是獨一無二。在特定條件下,它表現(xiàn)為粘度為零。由常流體和超流體組成的混合物,其常流體成分和超流體成分比隨溫度的變化而變化。表1-15兩流體模型中常流體在HeⅡ中的質量比熱導率隨溫度的下降而下降。氦Ⅰ液氦Ⅱ熱導率非常大,在氣泡生81當溫度降低通過λ點時，液體比熱有一個大幅度跳躍。圖1-22飽和液態(tài)氦4的比熱

溫

度(K)

飽和液體的比熱KJ/Kg·K當溫度降低通圖1-22飽和液態(tài)氦4的比熱溫度82噴泉效應噴泉效應83制冷原理與技術講解課件84(4)氦3圖1-25氦3的相圖

溫

度

壓

力

氣態(tài)

液態(tài)

固態(tài)

臨界點(4)氦3圖1-25氦3的相圖溫度壓850.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自發(fā)分離為兩相，一種是超流體(富含氦4相)，另一種是常流體(富含氦3相)。這種相的分離現(xiàn)象成為氦稀釋制冷機的基礎。

無色無味液體,標準沸點3.19K液氦3在其蒸汽壓下即使降到絕對零度也保持為液態(tài)0.827K以下，液氦3和液氦4的混合物能自發(fā)分離為兩相，一86第三節(jié)制冷技術與學科交叉制冷與低溫技術的學科交叉領域舉例10.

火箭推力系統(tǒng)與高能物理1.

空氣調節(jié)2.

人工環(huán)境3.

食品冷凍與冷凍干燥4.

低溫生物醫(yī)學技術5.

低溫電子技術6.

機械設計7.

紅外遙感技術8.

加工過程9.

材料回收第三節(jié)制冷技術與學科交叉制冷與低溫技術的學科交叉領域舉例87制冷在空調中的作用

(1)干式冷卻(2)減濕冷卻(3)減濕與干式冷卻混合方式1.空氣調節(jié)圖1-26制冷與空調的關系

制冷和空調的關系相互聯(lián)系又獨立制冷在空調中的作用(1)干式冷卻(2)減濕冷卻(3)減88用人工方法構成各種人們所希望達到的環(huán)境條件，包括地面的各種氣候變化和高空宇宙及其它特殊的要求。2.人工環(huán)境與制冷有關的人工環(huán)境試驗有以下幾種(1)低溫環(huán)境試驗(2)濕熱試驗(3)鹽霧試驗(4)多種氣候試驗(5)空間模擬試驗用人工方法構成各種人們所希望達到的環(huán)境條件，包括地面的各種氣89根據對食品處理方式不同，食品低溫處理工藝可分三類：(1)食品的冷藏與冷卻(2)食品的凍結與凍藏(3)冷凍干燥3.食品冷凍與冷凍干燥根據對食品處理方式不同，食品低溫處理工藝可分三類：(1)90研究低溫對生物體產生的影響及應用的學科。低溫生物學研究溫度降低對人類生命過程的影響，以及低溫技術在人類同疾病作斗爭中的應用的學科。低溫醫(yī)學低溫生物醫(yī)學低溫生物學和低溫醫(yī)學的統(tǒng)稱。典型應用例子

(1)細胞組織程序冷卻的低溫保存(2)超快速的玻璃化低溫保存方法(3)利用低溫器械使病灶細胞和組織低溫損傷而壞死的低溫外科。4.低溫生物醫(yī)學技術研究低溫對生物體產生的影響及應用的學科。低溫生物學研究溫度91微波激射器必須冷到液氮或液氦溫度,以使放大器元素原子的熱振蕩不至于嚴重干擾微波的吸收與發(fā)射。超導量子干涉器即SQUIDs,被用在相當靈敏的數(shù)字式磁力計和伏安表上。在MHD系統(tǒng)、線性加速器和托克馬克裝置中，超導磁體被用來產生強磁場。5.低溫電子技術微波激射器必須冷到液氮或液氦溫度,以使放大器元素原子的熱振蕩92運用與超導電性有關的Meissner效應,用磁場代替油或空氣作潤滑劑,可以制成無磨擦軸承。在船用推進系統(tǒng)中,無電力損失的超導電機已獲得應用。偏差極小的超導陀螺也已經被研制出來。時速500km/h的低溫超導磁懸浮列車已經在日本投入試驗運行。6.機械設計運用與超導電性有關的Meissner效應,用磁場代替93

采用紅外光學鏡頭可以拍攝熱源外形，并可以對熱源進行跟蹤。一些紅外材料往往工作在120K以下的低溫下，使得熱源遙感信號更為清晰，為了拍攝高靈敏度的信號往往需要更低的溫度。

一般紅外衛(wèi)星需要70-120K的低溫，往往通過斯特林制冷機、脈沖管制冷機、輻射制冷器來實現(xiàn)?？臻g遠紅外觀測則需要2K以下的溫度，往往通過超流氦的冷卻技術來實現(xiàn)。7.紅外遙感技術采用紅外光學鏡頭可以拍攝熱源外形，并可以對熱源進行跟94煉鋼時氧起到某些重要的作用。制取氨時也用到低溫系統(tǒng)。壓力容器加工時,將預成形的圓柱體放在冷卻到液氮溫度的模具中,在容器中充入高壓氮氣,讓其擴脹15%,然后容器被從模具中移開并恢復到室溫。使用這個方法,材料的屈服強度能增加4至5倍。8.加工過程煉鋼時氧起到某些重要的作用。8.加工過程95目前低溫技術是回收鋼結構輪胎中橡膠的唯一有效的方法，這種方法采用了低溫粉碎技術。利用材料在低溫狀態(tài)下的冷脆性能，對物料進行粉粹。低溫粉碎技術材料溫度降低到一定程度，材料內部原子間距顯著減小，結合緊密的原子無退讓余地，吸收外力使其變形的能力很差，失去彈性而顯示脆性。9.材料回收目前低溫技術是回收鋼結構輪胎中橡膠的唯一有效的方法，這種方法96所有大型的發(fā)射的飛行器均使用液氧作氧化劑。宇宙飛船的推進也使用液氧和液氫。觀察研究大型粒子加速器產生的粒子的氫泡室要用到液氫。10.火箭推力系統(tǒng)與高能物理LHC-CERN27km超導磁體過冷態(tài)超流氦冷卻所有大型的發(fā)射的飛行器均使用液氧作氧化劑。10.火箭推力系97第一章

制冷與低溫的熱力學基礎第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎第二節(jié)制冷與低溫工質第三節(jié)制冷技術與學科交叉第一章

制冷與低溫的熱力學基礎第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工98第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎自然界中的一切物質都具有能量，能量不可能被創(chuàng)造，也不可能被消滅；但能量可以從一種形態(tài)轉變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且在能量的轉化過程中能量的總量保持不變。能量守恒與轉換定律是自然界基本規(guī)律之一。1.1.1制冷與低溫原理的熱力學基礎1.熱力學第一定律第一節(jié)制冷與低溫原理的熱工基礎能量守恒與轉換定律是自然界99用符號U表示，單位是焦耳（J）熱力學能1kg物質的熱力學能稱比熱力學能用符號u表示，單位是焦耳/千克（J／kg）比熱力學能熱力學能熱力學能和總能熱力狀態(tài)的單值函數(shù)。兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。狀態(tài)參數(shù)，與路徑無關。用符號U表示，單位是焦耳（J）熱力學能1kg物質的熱力學100工質的總儲存能內部儲存能外部儲存能熱力學能總能動能位能E－總能，Ek－動能Ep－位能E=U+Ek+Ep

(1-2)內部儲存能和外部儲存能的和，即熱力學能與宏觀運動動能及位能的總和。若工質質量m，速度cf，重力場中高度z宏觀動能

重力位能工質的總能(1-3)工質的總儲存能內部儲存能外部儲存能熱力學能總能動能位能101能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量總和物體宏觀位移有關。傳熱借傳熱來傳遞能量無需物體的宏觀移動。推動功因工質在開口系統(tǒng)中流動而傳遞的功。對開口系統(tǒng)進行功的計算時需要考慮這種功。推動功只有在工質移動位置時才起作用。力學參數(shù)cf和z只取決于工質在參考系中的速度和高度2.能量的傳遞和轉化(1-4)比總能能量從一個物體傳遞到另一個物體有兩種方式作功借作功來傳遞能量102圖1-1a所示為工質經管道進入氣缸的過程。工質狀態(tài)參數(shù)p、v、T，用p-v圖中點C表示。工質作用于面積A的活塞上的力為pA，工質流入氣缸時推動活塞移動距離，作功pA=pV=mpv。m表示進入氣缸的工質質量，這一份功叫做推動功。1kg工質的推動功等于pv如圖中矩形面積所示。圖1-1a所示為工質經管道進入氣缸的過程。103圖1-1b所示考察開口系統(tǒng)和外界之間功的交換。取一開口系統(tǒng)，1kg工質從截面1-1流入該熱力系，工質帶入系統(tǒng)的推動功p1v1，作膨脹功由狀態(tài)1到2，再從截面2-2流出，帶出系統(tǒng)的推動功為p2v2。是系統(tǒng)為維持工質流動所需的功，稱為流動功圖1-1b所示考察開口系統(tǒng)和外界之間功的交換。104焓用符號H表示，單位是焦耳（J）H=U+pV

(1-5)比焓

(1-6)

用符號h表示，單位是焦耳/千克（J／kg）焓是一個狀態(tài)參數(shù)。焓也可以表示成另外兩個獨立狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。如：h=f(T,v)或h=f(p,T);h=f(p,v)(1-9)3．焓焓用符號H表示，單位是焦耳（J）比焓105進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能量的增加

(1-10)4.1閉口系統(tǒng)的能量平衡4．熱力學第一定律的基本能量方程式工質從外界吸熱Q后從狀態(tài)1變化到2，對外作功W。若工質宏觀動能和位能的變化忽略不計，則工質儲存能的增加即為熱力學能的增加ΔU

(1-11)熱力學第一定律的解析式進入系統(tǒng)的能量-離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)中儲存能量的增加4.1106加給工質的熱量一部分用于增加工質的熱力學能儲存于工質內部，余下一部分以作功的方式傳遞至外界。對微元過程，第一定律解析式的微分形式(1-12a)對于1kg工質，(1-12b)(1-12c)式(1-12)對閉口系普遍適用，適用于可逆過程也適用于不可逆過程，對工質性質也無限制。加給工質的熱量一部分用于增加工質的熱力學能儲存于工質內部，余107熱量Q熱力學能變量ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+

系統(tǒng)對外作功W+

系統(tǒng)熱力學能增大ΔU+可逆過程(1-13)(1-14)

完成一循環(huán)后，工質恢復原來狀態(tài)(1-15)閉口系完成一循環(huán)后，循環(huán)中與外界交換的熱量等于與外界交換的凈功量(1-16)

熱量Q熱力學能變量ΔU功W代數(shù)值系統(tǒng)吸熱Q+系統(tǒng)對外作功W1084.2開口系統(tǒng)的能量平衡由系統(tǒng)能量平衡的基本表達式有圖示開口系統(tǒng)，dτ時間內，質量的微元工質流入截面1-1，質量的微元工質流出2-2，系統(tǒng)從外界得到熱量，對機器設備作功。過程完成后系統(tǒng)內工質質量增加dm,系統(tǒng)總能增加dECV

(1-17)圖1-2開口系統(tǒng)流動過程中的能量平衡

4.2開口系統(tǒng)的能量平衡由系統(tǒng)能量平衡的基本表達式有109由E=me,V=mv,h=u+pv,得

(1-19)

穩(wěn)定流動

系統(tǒng)只有單股流體進出，(1-21)

微量形式

(1-22)

當流入質量為m的流體時，穩(wěn)定流動能量方程由E=me,V=mv,h=u+pv,得(1-19)穩(wěn)定流110工質流經壓縮機時，機器對工質做功wc,使工質升壓，工質對外放熱q

每kg工質需作功

(1-24)膨脹過程均采用絕熱過程圖1-3壓縮機能量平衡

圖1-4膨脹機能量平衡5.能量方程式的應用(1-25)穩(wěn)定流動能量平衡方程工質流經壓縮機時，機器對工質做功wc,使工質升壓，工質對外放111圖1-6噴管能量轉換圖1-5換熱器能量平衡

工質流經換熱器時和外界有熱量交換而無功的交換，動能差和位能差也可忽略不計

1kg的工質吸熱量

1kg工質動能的增加工質流經噴管和擴壓管時不對設備作功，熱量交換可忽略不計

圖1-6噴管能量轉換圖1-5換熱器能量平衡工質流經換112工質流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節(jié)流。

設流動絕熱，前后兩截面間的動能差和位能差忽略，因過程無對外做功，故節(jié)流前后的焓相等

該式只對節(jié)流前后穩(wěn)定段成立，而不適合節(jié)流過程段。

節(jié)流工質流過閥門時流動截面突然收縮，壓力下降，這種流動稱為節(jié)流。113研究與熱現(xiàn)象相關的各種過程進行的方向、條件及限度的定律熱不能自發(fā)地、不付代價地從低溫物體傳到高溫物體1.制冷循環(huán)的熱力學分析熱力學循環(huán)正向循環(huán)

熱能轉化為機械功逆向循環(huán)消耗功循環(huán)除了一二個不可避免的不可逆過程外其余均為可逆過程?？赡嫜h(huán)是理想循環(huán)。理想循環(huán)2.熱力學第二定律研究與熱現(xiàn)象相關的各種過程進行的方向、條件及限度的定律熱不114熱力學第二定律涉及的溫度為熱力學溫度(K)

T=273.16+t

(1-29)

熵是熱力學狀態(tài)參數(shù)，是判別實際過程的方向，提供過程能否實現(xiàn)、是否可逆的判據。定義式

(1-30)

qrev是可逆過程的換熱量，T為熱源溫度可逆過程1-2的熵增克勞修斯積分

=0可逆循環(huán)＜0不可逆循環(huán)＞0不可能實行的循環(huán)熱力學第二定律涉及的溫度為熱力學溫度(K)T=273.16115p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時的逆向可逆循環(huán)——逆卡諾循環(huán)當高溫熱源和低溫熱源隨著過程的進行溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程組成的逆向循環(huán)。在相同溫度范圍內，它是消耗功最小的循環(huán)，即熱力學效率最高的制冷循環(huán)，因為它沒有任何不可逆損失。p、T狀態(tài)下的比熵定義為(1-33)2.熱源溫度不變時的116卡諾制冷機是熱力理想的等溫制冷機卡諾制冷117過程1－2

壓縮工質，同時放熱至熱源，維持制冷劑溫度恒定

過程2－3

工質從熱源溫度Th可逆絕熱膨脹到冷源溫度Tc

過程3－4熱量從冷源轉移到工質中同時工質做功以使制冷劑維持一定的溫度過程4－1

制冷劑從冷源溫度可逆絕熱壓縮到熱源溫度過程1－2壓縮工質，同時放熱至熱過程2－3工質從熱源溫度118制冷工質向高溫熱源放熱量(1-34)

制冷工質從低溫熱源吸熱量

(1-35)

系統(tǒng)所消耗的功

(1-36)卡諾制冷系數(shù)

(1-37)卡諾熱泵循環(huán)效率

(1-38)熱力完善度

(1-39)制冷工質向高溫熱源放熱量(1-34)制冷工質從低溫熱源吸熱119溫

度T熵S圖1-10洛倫茲循環(huán)的T-s圖

3.熱源溫度可變時的逆向可逆循環(huán)—洛倫茲循環(huán)洛倫茲循環(huán)工作在二個變溫熱源間。與卡諾循環(huán)不同之處主要是蒸發(fā)吸熱和冷卻放熱均為變溫過程

溫度T熵S圖1-10洛倫茲循環(huán)的T-s圖120(假設制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為ΔT)制冷量

排熱量

耗功

(1-40)洛倫茲循環(huán)制冷系數(shù)

(假設制冷過程和冷卻過程傳熱溫差均為ΔT)制冷量排熱量121

以卡諾循環(huán)作為比較依據，第一類循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機，而第二類循環(huán)則是理想的熱源驅動逆向可逆循環(huán)——三熱源循環(huán)。

圖1-11兩類制冷循環(huán)能量轉換關系圖

(a)以電能或機械能驅動

(b)以熱能驅動

4.熱源驅動的逆向可逆循環(huán)——三熱源循環(huán)以卡諾循環(huán)作為比較依據，第一類循環(huán)就是卡諾循環(huán)制冷機122對可逆制冷機熱力系數(shù)(1-45)

1.1.2制冷與低溫的獲得方法1.焦耳湯姆遜效應(1)節(jié)流過程的熱力學特征通過膨脹閥時焓不變，因閥中存在摩擦阻力損耗，所以它是個不可逆過程，節(jié)流后熵必定增加對可逆制冷機熱力系數(shù)(1-45)1.1.2制冷與低溫的獲123節(jié)流閥、毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式。焦耳－湯姆遜效應理想氣體的焓值僅是溫度的函數(shù)，氣體節(jié)流時溫度保持不變，而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，節(jié)流后溫度一般會發(fā)生變化。焦耳－湯姆遜系數(shù)

(1-46)制冷系統(tǒng)中的節(jié)流元件結構簡單，價格低廉，在小型制冷空調裝置中應用廣泛節(jié)流閥、毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥等多種形式。焦耳－湯姆124零效應的連線稱為轉化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流后氣體溫度保持不變，這樣的溫度稱為轉化溫度。焦耳－湯姆遜系數(shù)就是圖上等焓線的斜率

轉化曲線上節(jié)流后升溫節(jié)流后降溫圖1-12實際氣體的等焓節(jié)流膨脹

零效應的連線稱為轉化曲線，如圖上虛線所示。若節(jié)流后氣體溫度保125進一步推導得(1-50)對理想氣體(2)節(jié)流過程的物理特征節(jié)流時溫度降低

節(jié)流時溫度不變節(jié)流時溫度升高

實際氣體表達式可通過實驗來建立(1-51)對空氣和氧在P＜15×103kPa進一步推導得(1-50)對理想氣體(2)節(jié)流過程的物126(3)轉化溫度與轉化曲線轉化溫度(1-55)(1-56)轉化溫度與壓力的關系

在T－P圖上為一連續(xù)曲線，稱為轉化曲線

針對范德瓦爾氣體的最高轉化溫度

(此時或)(1-53)范德瓦爾狀態(tài)方程(3)轉化溫度與轉化曲線轉化溫度(1-55)(1-5127表1-1最大轉化溫度列出了一部分氣體的最高轉化溫度。氣體最高轉化溫度(K)氣體最高轉化溫度(K)He445CO652H2205Ar794Ne250O2761N2621CH4939空氣603CO21500NH31994表1-1最大轉化溫度列出了一部分氣體的最高轉化溫度。氣體最1282.絕熱膨脹氣體等熵膨脹時，壓力的微小變化所引起的溫度變化。微分等熵效應(1-58)對理想氣體(為絕熱指數(shù))(1-60)2.絕熱膨脹氣體等熵膨脹時，壓力的微小變化所引起的溫度變化129等熵膨脹過程的溫差，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而增大，還隨初溫T1的提高而增大。3.絕熱放氣等熵膨脹過程的溫差，隨著膨脹壓力比P1/P2的增大而130(1)假定放氣過程進行很慢，活塞左側氣體始終處于平衡狀態(tài)而等熵膨脹，所作功按其本身壓力計算，因而對外作功最大，溫降也最大。(2)設想閥門打開后活塞右側氣體立即從P1降到P2，因而當活塞左側氣體膨脹時只針對一恒定不變壓力P2作功，對外作功最小，溫降也最小。(1-61)(1-62)(1)假定放氣過程進行很慢，活塞左側氣體始終處于平衡狀態(tài)而等131實際放氣過程總是介于上述兩種極限情況之間，過程進行得越慢，愈接近等熵膨脹過程。圖1-14放氣過程中溫度與壓力的變化關系

實際放氣過程總是介于上述兩種極限情況之間，過程進行得132分析這兩種極限情況可得結論：

(1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比T2/T1(P2/P1一定時)越小，溫降越大，用單原子氣體可獲較大溫降。(2)隨壓比P1/P2增大，溫比T2/T1減少越來越慢，單級壓比不宜過大，一般取3到5。分析這兩種極限情況可得結論：(1)氣體絕熱指數(shù)越大，則溫比1334.1熱力理想等溫源系統(tǒng)

“冷源”指需冷卻的空間“熱源”則指制冷機放熱的對象4.低溫氣體制冷的熱力學基礎4.1熱力理想等溫源系統(tǒng)“冷源”指需冷卻的空間4.低溫氣134表1-2卡諾制冷機在300K和低溫Tc時的性能系數(shù)COP冷源溫度（K）COPi=-Q0/Wnet-Wnet/Q0111.70.59321.68677.40.34772.87620.30.0725813.7784.20.0142070.431.00.003344299.00.10.00033342,999.00.010.000033329,999.0表1-2卡諾制冷機在300K和低溫Tc時的性能系數(shù)COP冷1354.2熱力理想等壓源系統(tǒng)在工質未冷凝的氣體制冷機系統(tǒng)中，吸熱過程是變溫的，而不象在卡諾制冷機中那樣在等溫下吸熱。這樣，實際系統(tǒng)與卡諾系統(tǒng)比較是不公平的，因為實際系統(tǒng)的冷源溫度不恒定。

沒有一個制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)可大于相同溫限下工作的卡諾制冷機，否則就可以制造第二類永動機。要達到相同的制冷效應，所有實際的制冷機都要比卡諾制冷機花費更多的功。熱力學第二定律的推論之一4.2熱力理想等壓源系統(tǒng)在工質未冷凝的氣體制冷機136制冷劑在T1和T2之間可逆等壓吸熱，放熱過程是可逆等溫過程。制冷劑在T1和T2之間可逆等壓吸熱，放熱過程是可逆等溫過程137對理想等壓源制冷機(1-66)上式對任何工質都適用。對許多氣體制冷機而言，壓力足夠低時，工質氣體可近似為理想氣體。對具有定壓比熱的理想氣體(1-70)COP與用作制冷劑的理想氣體無關。COPi僅與最高冷源溫度與最低冷源溫度之比和熱源溫度與最低冷源溫度之比有關。對理想等壓源制冷機(1-66)上式對任何工質都適用138圖1-16理想等壓源制冷機的性能系數(shù)

性能系數(shù)COPT0是高溫熱源溫度T1和T2分別是低溫熱源的最高和最低溫度。圖1-16理想等壓源制冷機的性能系數(shù)性能系1391.1.3制冷與低溫溫區(qū)的劃分1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分通過一定的方式將物體冷卻到環(huán)境溫度以下。“冷”相對于環(huán)境溫度而言，一般是指環(huán)境溫度至絕對零度。通過123Ｋ來分界溫區(qū)制冷溫區(qū)

123K以上低溫溫區(qū)

123K以下制冷1.1.3制冷與低溫溫區(qū)的劃分1.制冷與低溫溫區(qū)的劃分140制冷的溫度范圍是從環(huán)境溫度開始，一直可達接近絕對零度即0Ｋ圖1-17低溫溫度范圍

制冷的溫度范圖1-17低溫溫度范圍1412.制冷與低溫技術的發(fā)展歷史(一)制冷技術的發(fā)展歷史人工制冷的方法是隨著工業(yè)革命而開始的?？諝庵评錂C的發(fā)明比蒸氣壓縮式制冷機稍晚?？照{技術的應用起始于1919年。2.制冷與低溫技術的發(fā)展歷史(一)制冷技術的發(fā)展歷史人工142第二節(jié)制冷與低溫工質1.2.1制冷劑的發(fā)展、應用與選用原則只有在工作溫度范圍內能夠汽化和凝結的物質才有可能作為制冷劑使用。

乙醚是最早使用的制冷劑。1866年威德豪森(Windhausen)提出使用CO2作制冷劑。1870年卡爾·林德(CartLinde)用NH3作制冷劑。1874年拉烏爾·皮克特(RaulPictel)采用SO2作制冷劑。SO2和CO2在歷史上曾經是比較重要的制冷劑。SO2毒性大，但作為重要制冷劑曾有60年歷史。CO2在使用溫度范圍內壓力特高，致使機器極為笨重，但它無毒使用安全。曾在船用冷藏裝置中作制冷劑達50年之久，1955年才被氟里昂所取代。第二節(jié)制冷與低溫工質1.2.1制冷劑的發(fā)展、應用與選1431.熱力學性質方面2.遷移性質方面(1)工作溫度范圍內有合適的壓力和壓力比。(2)單位制冷量q0和單位容積制冷量qv較大。(3)比功w和單位容積壓縮功wv小，循環(huán)效率高。蒸發(fā)壓力≧大氣壓力冷凝壓力不要過高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過大(4)等熵壓縮終了溫度t2不能太高，以免潤滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。(1)粘度、密度盡量小。(2)導熱系數(shù)大，可提高傳熱系數(shù)，減少傳熱面積。作為制冷劑應符合的要求

1.熱力學性質方面2.遷移性質方面(1)工作溫度范圍內1443.物理化學性質方面

4.其它

(1)無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。(2)化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。(3)對大氣環(huán)境無破壞作用。

原料來源充足，制造工藝簡單，價格便宜。3.物理化學性質方面4.其它(1)無毒、不燃燒、不爆炸1451.2.2制冷劑命名制冷劑按其化學組成主要有三類

無機物氟里昂碳氫化合物1.2.2制冷劑命名制冷劑按其化學組成主要有三類無機物146字母“R”和它后面的一組數(shù)字或字母表示制冷劑根據制冷劑分子組成按一定規(guī)則編寫1.無機化合物

2.氟里昂和烷烴類簡寫符號規(guī)定為R7()()括號中填入的數(shù)字是該無機物分子量的整數(shù)部分。簡寫符號規(guī)定為R(m-1)(n+1)(x)B(z)數(shù)值為零時省去寫，同分異構體則在其最后加小寫英文字母以示區(qū)別。正丁烷和異丁烷例外，用R600和R600a(或R601)表示編寫規(guī)則制冷劑的簡寫符號字母“R”和它后面的一組數(shù)字或字母表示制冷劑根據制冷劑分1473.非共沸混合工質簡寫符號為R4()()括號中的數(shù)字